创纪录的里程碑！光镊阵列捕获逾6,000中性原子，量子计算再达新高

news2024/11/28 8:30:06

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2403.12021

2024年3月18日，研究人员成功开发出一种大规模光镊阵列，能够在12,000个位点上捕获超过6,100个中性原子，同时在几个关键性能指标上达到新的高度：

1）相干时间达到12.6秒，为光镊阵列中的hyperfine量子比特设置了新记录；

2）在室温设备中的捕获寿命接近23分钟，创下了新的记录；

3）成像存活率为99.98952%，成像保真度超过99.99%。

这些研究成果以及其他最新进展显示，拥有数万个原子量子比特的通用量子计算在不远的将来有望实现。此外，这些工作还为具有类似规模的固有单粒子读出和定位能力的量子模拟和量子计量实验铺平了道路。

由于中性原子不带电荷，它们难以被直接捕获。这些原子被放置在强激光光场中，倾向于聚集在光的最亮区域。中性原子的纠缠通过激发至里德堡态来实现，这种高能态使得原子能与周围其他原子进行纠缠。使用激光可以为原子提供能量，并已证实可以实现几微米距离内的原子间纠缠。这种程度的相互作用可以轻松地通过光学激光器完成。

光镊的简化示意图。在简化设置中，激光入射光的中心比边缘亮，就像高斯分布一样。当光线与珠子或液滴发生相互作用时，光线会根据反射和折射定律发生弯曲。所有这些光线所产生的力矢量可分为两部分：散射力和梯度力，前者是由指向入射光方向（z轴）的辐射压力所产生的，后者是由光源强度分布的梯度将粒子拉向强度更高的区域所产生的。梯度力是一种将粒子拉向中心的恢复力。如果折射光线的散射力大于反射光线的散射力，那么沿Z轴也会产生一个恢复力，从而产生一个稳定的陷阱

近几年，光镊阵列对原子和分子物理学的研究产生了革命性影响，已经成为量子计算、模拟和计量学等领域中各种前沿实验的基石。

这一技术的成功基于其固有的单粒子控制和检测的简便性。典型实验可捕获数十至数百个原子量子比特。最近的研究表明，中性原子具有较长的相干时间（长达40秒），Atom Computing公司甚至在未明确定义量子比特或展示相干控制的情况下，已成功实现约一千个原子的系统。

2023年12月，该领域的三位主要研究人员Markus Greiner（哈佛大学）、Vladan Vuletic（麻省理工学院）和Mikhail Lukin（哈佛大学，他在2020年的论文中首次提出将中性原子用作量子比特）在《自然》杂志上发表了一篇论文。

他们描述了一个复杂的量子处理器，由几个不同功能区组成。每个量子比特作为单独项目保存在存储器中，并以每组20个量子比特形成逻辑量子比特。纠缠区用于量子比特的并行编码和门操作，读出区则负责测量量子比特。论文指出，此技术和所得结果能够使得该系统扩展至10,000个量子比特。《哈佛公报》认为，这是首个逻辑量子处理器，对实现可扩展的量子设备至关重要。

然而，将系统扩展到拥有长相干时间、低损耗和高保真成像的数千个原子量子比特仍是一个巨大挑战，对量子计算、模拟和计量学领域的进步，尤其是量子纠错应用的进步至关重要。